引言

管道分輸站壓力控制系統的設計理念、思路以及優(yōu)化原則是能夠滿(mǎn)足站場(chǎng)自動(dòng)分輸的基本原則[1,3]，自動(dòng)分輸設置包括安全設置、輸氣調節、自動(dòng)切換和故障切換。由于輸氣管道建設的需求，沿線(xiàn)存在多種分輸站，且不同分輸站的用戶(hù)類(lèi)型不同，對于民用用戶(hù)而言，存在用氣高峰3次/日的現象。當在用氣低峰時(shí)（如深夜），實(shí)際流量在較長(cháng)時(shí)間內將使工作調節閥在小開(kāi)度或關(guān)閉的情況下工作[4]，在投產(chǎn)初期也存在下游用戶(hù)的用氣量較小的情況，這使得用氣量回升時(shí)，調節閥短時(shí)間內無(wú)法走出單側正向/負向控制量的累積，出現調節閥失控的現象[5,7]。通過(guò)對該現象的研究給出了一種自動(dòng)分輸的解決方案，以期為后續的管道設計提供一種可參考的解決方案。

 

1 壓力控制系統的設計

1.1 設計標準及選型

國內標準《輸氣管道工程設計標準》（GB 50251-2015）對分輸壓力控制系統進(jìn)行了規定，其中，8.4.2中，對壓力控制提出“供氣量超限可能導致管輸系統失調的部位，壓力控制系統應具有限流功能”的控制要求；8.4.3提出了“當上游#大操作壓力大于下游#大操作壓力1.6MPa以上，以及上游#大操作壓力大于下游管道和設備強度試驗壓力時(shí)，單個(gè)的（地衣級）壓力安全設備還應同時(shí)加上第二個(gè)安全設備”的要求�？紤]到分析案例兼具普遍性和安全性的因素，本次分析選用雙安全截斷閥和電動(dòng)調節閥進(jìn)行分輸調節的工況。

 

1.2 工藝流程及控制特性分析

分輸流程壓力/流量調節系統采用分輸流量和分輸出站壓力選擇性調節，由分輸流量計量系統、調壓及安全切斷系統、出站壓力檢測單元等構成。工藝流程詳見(jiàn)圖1。圖1工藝流程涉及1個(gè)控制子回路，包含2個(gè)檢測裝置（1臺壓力變送器和1臺流量計）、1個(gè)控制器和1個(gè)執行結構。在完成調控中心下發(fā)日指定分輸量的前提下[9]，為保證給下游用戶(hù)提供安全、穩定的氣源，保證天然氣在協(xié)議分輸壓力下輸送，確定整體控制目標及控制參數選擇如下：

1）控制整體目標

該PID控制回路整體控制目標是“限流調壓”，即正常情況下，該系統采用壓力控制方式，以控制下游壓力；壓力控制回路在要求的設定值下工作，當供氣流量超過(guò)設定值時(shí)，根據管理需要，控制系統將自動(dòng)切換為流量控制，對用戶(hù)供氣量進(jìn)行限量控制。壓力設定值既可由調度調控中心給定，也可由站控系統給定。 

2）控制參數選擇

根據1）的要求，需要設計限定值和調節值。其中，限定值可分為流量限定值和壓力限定值。流量限定值用于控制分輸流量不大于1.2qmax，壓力限定值用于控制分輸壓力不低于下游管道的用戶(hù)保障壓力；調節值可以分為流量調節值和壓力調節值，流量調節值可以用于完成調控中心下發(fā)的輸量任務(wù)，壓力調節值可以用于完成下游氣體在協(xié)議壓力下分輸。

 

2 控制器算法設計

在輸氣管道的分輸工藝控制過(guò)程中，每一個(gè)控制器都應被集成相應的優(yōu)化算法，以確保其能夠完成控制器邏輯中描述的功能，從而保證整體控制目標的實(shí)現。對于單個(gè)控制器而言，其控制算法應滿(mǎn)足第1節的一般要求。針對這部分要求，圖1給出工藝控制過(guò)程中存在的典型工況，并提出解決方案。

 

輸氣管道分輸工藝流程對于民用用戶(hù)而言，存在用氣高峰3次/日的現象[10]。當在用氣低峰時(shí)（如深夜），實(shí)際流量在較長(cháng)時(shí)間內將使工作調節閥在小開(kāi)度或關(guān)閉的情況下工作，在投產(chǎn)初期也存在下游用戶(hù)的用氣量較小的情況，這使得用氣量回升時(shí)，調節閥短時(shí)間內無(wú)法走出單側正向/負向控制量的累積，出現調節閥失控的現象。

 

2.1 解決方案

為解決該問(wèn)題，引入抗積分飽和PID控制算法。設定閥門(mén)達到極限開(kāi)度時(shí)，被控變量的輸出為umax，若u(k-1)＞umax，則只累加負偏差；若u(k-1)＜-umax，則只累加正偏差。這種控制算法可以避免因控制變量長(cháng)期滯留在飽和區而無(wú)法實(shí)現控制器對執行機構的驅動(dòng)。

 

2.2 控制算法實(shí)現的基本步驟

結合圖1，被控變量為調節閥后出口壓力，執行結構為電動(dòng)執行機構，控制器的輸出控制變量u為4mA～20mA電流。

 

若u(k-1)＞18mA，則只累加負偏差；若u(k-1)＜6mA，則只累加正偏差。這種算法可以防止控制量長(cháng)時(shí)間滯留在飽和區。

 

根據抗積分飽和PID控制算法得到其程序框圖見(jiàn)圖2。

2.3 控制仿真

在PID控制模塊上，應設置抗積分飽和控制算法可選項，可通過(guò)軟件或硬件的方式進(jìn)行控制模式切換。投用在該模式后，應能達防止長(cháng)期進(jìn)入死區而失控對工藝生產(chǎn)造成的影響�，F以階躍信號為例，進(jìn)行仿真、驗證。設被控對象為：

 

其中采樣時(shí)間為1ms，仿真結果見(jiàn)圖3、圖4。

 

2.4 分輸控制器算法特征

根據1.2的分析，共需4個(gè)控制器，表1給出了各個(gè)控制器的功能、潛在的工藝特征和優(yōu)選需集成的控制算法。

3 結論

針對研究結論所選用的自動(dòng)分輸裝置，利用抗積分飽和控制理論，建立相應數學(xué)模型，給出仿真結果，并針對不同的工控給出了tuijian的控制算法，得出如下結論：抗積分飽和控制算法應用于輸氣管道自動(dòng)分輸系統中，用于防止積分效應造成的穩態(tài)誤差累計系統響應遲緩的現象。消除了由于大誤差引入的控制失調，減少了輸出控制變量的波動(dòng)，使得分輸用戶(hù)用氣壓力平穩、可控，避免了由于大幅波動(dòng)帶來(lái)的用氣不穩定的現象。 

 

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